近日，我院劉曄教授團隊在高性能光纖SERS探針的可控制備方面取得進展，并在學校T類二級期刊Applied Surface Science（中科院一區(qū)TOP）上發(fā)表了題為《Stick-slip-motion-assisted interfacial self-assembly of noble metal nanoparticles on tapered optical fiber surface and its application in SERS detection》的論文。
表面增強拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）光譜利用貴金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振效應實現拉曼信號的極大增強，是當前拉曼光譜技術的重要發(fā)展方向。SERS增強基底是實現高靈敏SERS檢測的關鍵。目前常用的SERS增強基底主要有貴金屬納米顆粒溶膠和固態(tài)SERS基底兩大類。然而，貴金屬納米顆粒溶膠中顆粒沉降及隨機分布會較大影響SERS光譜檢測重復性，且單分散顆粒的SERS增強因子較低；而固態(tài)SERS基底雖然采用微納加工技術制備出的周期性結構能夠一定程度提高光譜檢測重復性，但存在制備成本高、制備難度大等問題。如何同時實現SERS光譜的高穩(wěn)定性、高靈敏度檢測是SERS光譜技術真正走向實用化的關鍵。
劉曄教授團隊近年來嘗試將光纖傳感技術與SERS光譜檢測相結合，通過將貴金屬納米顆粒或結構制備在光纖表面并將拉曼激發(fā)光和SERS信號光均耦合至光纖中傳輸（即光纖同時用作的光傳輸通道和SERS敏感單元），一方面，光纖中傳輸的拉曼激發(fā)光可實現SERS敏感區(qū)域的SERS信號的整體激發(fā)，有效增大SERS相互作用面積，利于提高檢測靈敏度；另一方面，整個SERS敏感區(qū)域內落在光纖數值孔徑內的SERS信號將被光纖收集，并由光纖傳輸至光譜儀進行檢測，該SERS信號的積分收集效應有望較大程度提高SERS光譜的檢測重復性和穩(wěn)定性。
前期，團隊針對平端面光纖結構，先后發(fā)展了激光誘導蒸發(fā)自組裝法（ZL201811144372.6,ZL201811414826.7）、激光誘導一步提拉法（ZL201811144266.8）、飛秒激光誘導還原法（ZL201811342587.9）等多種制備方法，在光纖平端面制備出具有大SERS增強的納米結構（如圖1所示），例如納米顆粒鏈狀結構（Nanoscale, 2016, 8, 10607）、微咖啡環(huán)納米結構（Sensors and Actuators: B. Chemical, 2019, 299, 126990）、納米顆粒團簇結構（Optics Express, 2020, 28, 6649; Optics Express, 2022, 30, 15846）等，顯著提升了液相原位SERS光譜檢測的靈敏度和重復性。
圖1、團隊前期制備的各種規(guī)格光纖平端面SERS探針
最近，為了進一步提升光纖SERS探針的檢測靈敏度，針對具有更大相互作用面積的錐形光纖結構，團隊在實驗上發(fā)現了一種新穎的激光誘導下錐形光纖與納米顆粒溶膠間形成的彎液面的粘滑運動，并基于此發(fā)展了“粘滑運動輔助的界面自組裝法”，成功在光纖錐面制備出納米顆粒環(huán)狀分布的光纖SERS探針（如圖2所示）。得益于每個納米顆粒環(huán)中包含的數量眾多的納米顆粒團簇結構提供的大SERS增強因子，以及探針的SERS整體激發(fā)與積分收集效應，該類錐形光纖SERS探針展現出高的液相原位檢測靈敏度（結晶紫溶液：2.0 × 10-10 M，孔雀石綠溶液：1.0×10-9 M，福美雙溶液：1.0×10-9 M）和優(yōu)良的光譜檢測重復性（RSD <6%），從而在生物醫(yī)藥、食品安全、環(huán)境檢測等領域的液相原位光譜檢測應用中具有重要應用前景。
圖2、錐形光纖SERS探針制備及光譜檢測
相關研究工作獲得國家自然科學基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃項目子課題、廣東省自然科學基金面上項目、廣東省普通高校重大研究項目、東莞理工學院青年科研團隊等項目的支持。
相關研究文章鏈接：
1、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222018323
2、https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092540051931189X
3、http://xlink.rsc.org/?DOI=C5NR06773A
4、https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-30-10-15846
5、https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?URI=oe-28-5-6648
（撰稿、一審：劉曄；二審：李艷霞；三審：胡耀華）
